暗物质地图揭示了星系之间隐藏的桥梁

2021年12月31日整理发布：暗物质是一种难以捉摸的物质，占宇宙的 80%。它还为宇宙学家所说的宇宙网提供了骨架，宇宙的大规模结构由于其引力影响，决定了星系和其他宇宙物质的运动。然而，局部暗物质的分布目前未知，因为它无法直接测量。相反，研究人员必须根据其对宇宙中其他物体(如星系)的引力影响来推断其分布。

“具有讽刺意味的是，研究更远的暗物质分布更容易，因为它反映了非常遥远的过去，而这并不复杂，”宾夕法尼亚州立大学天文学和天体物理学副教授、该研究的通讯作者 Donghui Jeong 说。 . “随着时间的推移，随着宇宙大尺度结构的增长，宇宙的复杂性也增加了，因此对局部暗物质进行测量本身就变得更加困难。”

之前绘制宇宙网的尝试从早期宇宙模型开始，然后模拟该模型在数十亿年间的演化。然而，这种方法是计算密集型的，到目前为止还不能产生足够详细的结果来观察局部宇宙。在这项新研究中，研究人员采用了完全不同的方法，使用机器学习构建了一个模型，该模型使用有关星系分布和运动的信息来预测暗物质的分布。

研究人员使用大量名为 Illustris-TNG 的星系模拟来构建和训练他们的模型，其中包括星系、气体、其他可见物质以及暗物质。该团队专门选择了可与银河系中的星系相媲美的模拟星系，并最终确定了预测暗物质分布需要星系的哪些特性。

Jeong 说：“当给出某些信息时，该模型基本上可以根据它之前看到的内容填补空白。” “我们模型的地图并不完全符合模拟数据，但我们仍然可以重建非常详细的结构。我们发现，包括星系的运动——它们的径向特殊速度——除了它们的分布之外，还大大提高了质量地图，让我们能够看到这些细节。”

然后，研究小组将他们的模型应用于来自 Cosmicflow-3 星系目录的本地宇宙的真实数据。该目录包含有关银河系附近 17,000 多个星系分布和运动的综合数据——在 200 兆秒差距以内。当地宇宙网的最终地图发表在 5 月 26 日在线发表在《天体物理学杂志》上的一篇论文中。

该地图连续再现了本地宇宙中已知的突出结构，包括“本地表”——包含银河系、“本地组”中的附近星系和室女座星系团中的星系的空间区域——以及“本地表”。 void”——靠近本地组的一个相对空白的空间区域。此外，它还确定了几个需要进一步研究的新结构，包括连接星系的较小的丝状结构。

“拥有宇宙网的局部地图开启了宇宙学研究的新篇章，”郑说。“我们可以研究暗物质的分布与其他发射数据的关系，这将有助于我们了解暗物质的性质。我们可以直接研究这些丝状结构，这些星系之间的隐藏桥梁。”

例如，有人提出银河系和仙女座星系可能正在缓慢地相互靠近，但它们是否会在数十亿年后发生碰撞仍不清楚。研究连接两个星系的暗物质丝可以为它们的未来提供重要的见解。

“因为暗物质主导着宇宙的动力学，它基本上决定了我们的命运，”郑说。“所以我们可以让计算机将地图进化数十亿年，看看局部宇宙会发生什么。我们可以及时进化模型，以了解我们宇宙邻域的历史。”

研究人员认为，他们可以通过添加更多星系来提高地图的准确性。计划中的天文调查，例如使用詹姆斯网络太空望远镜，可以让他们添加尚未观察到的微弱或小星系以及更远的星系。